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Sábado, enero 28, 2023

Video surrealista de células estresadas ayuda a los biólogos a resolver un misterio de décadas de antigüedad

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Los científicos de la Universidad de Pittsburgh y la Universidad Carnegie Mellon resolvieron un misterio de décadas sobre cómo las células controlan su volumen.


Salas abarrotadas: cómo los investigadores de la Universidad Carnegie Mellon y la Universidad de Pittsburgh resolvieron un misterio celular.

Un video surrealista de células estresadas bajo un microscopio inspiró a un grupo de fisiólogos renales y biólogos de la Universidad de Pittsburgh y Carnegie Mellon University para investigar un misterio: ¿cómo controlan las células su volumen?

Su investigación, que se publicó recientemente en la revista Celular, muestra cómo los investigadores conectaron los puntos en un acertijo que se presentó inicialmente hace tres décadas con un poco de suerte. 


"Estábamos haciendo experimentos de imágenes de fluorescencia en vivo que no estaban relacionados con este estudio, y cuando añadimos una solución salina a las células, el material citoplásmico interno se convirtió rápidamente en una lámpara de lava fluorescente", dijo Daniel Shiwarski, Ph.D., estudiante postdoctoral. investigador en la Universidad Carnegie Mellon, que describe cómo él y su esposa, la coautora principal Cary Boyd-Shiwarski, MD, Ph.D., convirtieron un poco de experimentación fortuita en un hallazgo inesperado.

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En este video, las quinasas WNK (un tipo de enzima) son fluorescentes y se difunden por toda la célula. Cuando se exponen a una solución salina, se fusionan en gotas más grandes, con el aspecto de la sustancia pegajosa verde brillante de una lámpara de lava. Este proceso, llamado "separación de fases", es la forma en que la célula sabe que necesita recuperar tanto el agua como los iones, volviendo a su estado original en segundos. Crédito: Boyd-Shiwarski, et al., Cell (2022)

“La miré y ella me preguntó qué estaba pasando, como si se suponía que yo debía saberlo”, dijo. “Y dije: 'No tengo ni idea, ¡pero creo que probablemente sea algo importante!'”.


Cuando las células se exponen abruptamente a un factor estresante externo, como niveles elevados de sal o azúcar, su volumen puede disminuir. A principios de la década de 1990, los científicos creían que las células recuperaban su volumen al hacer un seguimiento de su concentración de proteínas, o qué tan "poblada" estaba la célula. Sin embargo, no sabían cómo la celda percibía el hacinamiento.

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De izquierda a derecha: Dr. Daniel Shiwarski, Dr. Arohan Subramanya y Dr. Cary Boyd-Shiwarski. Crédito: Jake Carlson/UPMC

Luego, a principios de la década de 2000, las quinasas sin lisina o "WNK" se identificaron como un nuevo tipo de enzima. Durante años, los científicos teorizaron que las quinasas WNK revertían el encogimiento celular, pero no se explicaba cómo lo hacían.

El nuevo estudio resuelve ambos acertijos al revelar cómo las quinasas WNK activan el "interruptor" que restaura el volumen celular al equilibrio a través de un proceso conocido como separación de fases.


"El interior de una célula contiene citosol y, en general, la gente piensa que este citosol es difuso, con todo tipo de moléculas flotando en una solución perfectamente mezclada", dijo el autor principal Arohan R. Subramanya, MD, profesor asociado en Renal-Electrolyte. División en la Escuela de Medicina de Pitt y médico de planta en el Sistema de Salud de VA Pittsburgh. “Pero ha habido este cambio de paradigma en nuestro pensamiento sobre cómo funciona el citosol. Es realmente como una emulsión con un montón de pequeños grupos de proteínas y gotitas, y luego, cuando ocurre un estrés como el hacinamiento, se juntan en grandes gotitas que a menudo se pueden ver con un microscopio”.

Esas gotas parecidas a un líquido eran la "lámpara de lava" que Shiwarski y Boyd-Shiwarski estaban viendo ese fatídico día cuando experimentaron agregando una solución salina a las células. Habían marcado fluorescentemente las WNK, que se difundieron por todo el citosol, haciendo que toda la célula brillara. Cuando se añadió sal, los WNK se unieron, formando grandes glóbulos de color verde neón que rezumaban por la celda como la sustancia pegajosa de una lámpara de lava.

El equipo caracterizó lo que estaban viendo como separación de fases, que es cuando las WNK se condensan en gotitas junto con las moléculas que activan los transportadores de sal de la célula. Este paso permite que la celda importe tanto iones como agua, devolviendo el volumen de la celda a su estado original en segundos.

La separación de fases es un área emergente de interés, pero ha sido controvertido si este proceso fue o no una parte importante de la función celular.

"Hay mucha gente que no cree que la separación de fases sea fisiológicamente relevante", explicó Boyd-Shiwarski, profesor asistente en la División de electrolitos renales de la Facultad de medicina de Pitt. “Piensan que es algo que sucede en un tubo de ensayo cuando sobreexpresas proteínas o que ocurre como un proceso patológico pero que en realidad no sucede en las células sanas normales”.

Pero durante los últimos seis años, el equipo realizó múltiples estudios utilizando factores estresantes similares a las fluctuaciones que ocurren dentro del cuerpo humano para mostrar que la separación de fases de las WNK es una respuesta funcional al hacinamiento.

La recuperación del volumen celular también tiene implicaciones para la salud humana, explicó Subramanya: "Una de las razones por las que estamos tan emocionados es que el próximo paso para nosotros es llevar esto de regreso al riñón".

Otros WNK activan el transporte de sal dentro de las células del túbulo renal cuando los niveles de potasio son bajos mediante la formación de condensados ​​especializados a través de la separación de fases, llamados cuerpos WNK. Las dietas occidentales modernas a menudo son bajas en potasio, por lo que al intentar regular el volumen celular, los cuerpos WNK pueden contribuir a la hipertensión sensible a la sal.


Si bien el nuevo descubrimiento no tendrá aplicaciones clínicas inmediatas, el equipo está emocionado de tomar lo que han aprendido y explorar las conexiones entre las WNK, la separación de fases y la salud humana. Eventualmente, su trabajo puede conducir a una mejor comprensión de cómo prevenir los accidentes cerebrovasculares, la presión arterial alta y los trastornos del equilibrio de potasio.

Referencia: "Las quinasas WNK detectan el hacinamiento molecular y rescatan el volumen celular a través de la separación de fases" por Cary R. Boyd-Shiwarski, Daniel J. Shiwarski, Shawn E. Griffiths, Rebecca T. Beacham, Logan Norrell, Daryl E. Morrison, Jun Wang, Jacob Mann, William Tennant, Eric N. Anderson, Jonathan Franks, Michael Calderon, Kelly A. Connolly, Muhammad Umar Cheema, Claire J. Weaver, Lubika J. Nkashama, Claire C. Weckerly, Katherine E. Querry, Udai Bhan Pandey, Christopher J. Donnelly, Dandan Sun, Aylin R. Rodan y Arohan R. Subramanya, 31 de octubre de 2022, Celular.
DOI: 10.1016/j.cell.2022.09.042

El estudio fue financiado por los Institutos Nacionales de Salud y el Departamento de Asuntos de Veteranos de EE. UU. 



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